Какое свойство электромагнитных волн используется в радиолокаторе

Радиолокация — это совокупность научных методов и технических средств, служащих для определения координат и характеристик объекта посредством радиоволн. Исследуемый объект часто именуют радиолокационной целью (или просто целью).

Принцип радиолокации

Радиотехническое оборудование и средства, предназначенные для выполнения задач радиолокации, получили название радиолокационных систем, или устройств (РЛС или РЛУ). Основы радиолокации базируются на следующих физических явлениях и свойствах:

• В среде распространения радиоволны, встречая объекты с иными электрическими свойствами, рассеиваются на них. Волна, отраженная от цели (или ее собственное излучение), позволяет радиолокационным системам обнаружить и идентифицировать цель.
• На больших расстояниях распространение радиоволн принимается прямолинейным, с постоянной скоростью в известной среде. Это допущение делает возможным измерение дальности до цели и ее угловых координат (с определенной ошибкой).
• На основании эффекта Доплера по частоте принятого отраженного сигнала вычисляют радиальную скорость точки излучения относительно РЛУ.

Историческая справка

На способность радиоволн к отражению указывали великий физик Г. Герц и русский электротехник А.С. Попов еще в конце XIX века. Согласно патенту от 1904 года, первый радар создал немецкий инженер К. Хюльмайер. Прибор, названный им телемобилоскопом, использовался на судах, бороздивших Рейн. В связи с развитием авиационной техники применение радиолокации выглядело очень перспективным в качестве элемента противовоздушной обороны. Исследования в этой области велись передовыми специалистами многих стран мира.

В 1932 году основной принцип радиолокации описал в своих работах научный сотрудник ЛЭФИ (Ленинградского электрофизического института) Павел Кондратьевич Ощепков. Им же в сотрудничестве с коллегами Б.К. Шембель и В.В. Цимбалиным летом 1934 года был продемонстрирован опытный образец радиолокационной установки, обнаружившей цель на высоте 150 м при удалении 600 м. Дальнейшие работы по совершенствованию средств радиолокации сводились к увеличению дальности их действия и повышению точности определения местоположения цели.

Виды радиолокации

Природа электромагнитного излучения цели позволяет говорить о нескольких видах радиолокации:

• Пассивная радиолокация исследует собственное излучение (тепловое, электромагнитное и т.п.), которое генерирует цели (ракеты, самолеты, космические объекты).
• Активная с активным ответом осуществляется в случае, если объект оборудован собственным передатчиком и взаимодействие с ним происходит по алгоритму «запрос — ответ».
• Активная с пассивным ответом предполагает исследование вторичного (отраженного) радиосигнала. Радиолокационная станция в этом случае состоит из передатчика и приемника.
• Полуактивная радиолокация — это частный случай активной, в случае когда приемник отраженного излучения расположен вне РЛС (например, является конструктивным элементом самонаводящейся ракеты).

Каждому виду свойственны свои достоинства и недостатки.

Методы и оборудование

Все средства радиолокации по используемому методу разделяют на РЛС непрерывного и импульсного излучения.

Первые содержат в своем составе передатчик и приемник излучения, действующие одновременно и непрерывно. По этому принципу были созданы первые радиолокационные устройства. Примером такой системы могут служить радиоальтиметр (авиационный прибор, определяющий удаление летательного аппарата от поверхности земли) или известный всем автолюбителям радар для определения скоростного режима транспортного средства.

При импульсном методе электромагнитная энергия излучается короткими импульсами в течение нескольких микросекунд. После генерации сигнала станция ведет работу только на прием. После улавливания и регистрации отраженных радиоволн РЛС передает новый импульс и циклы повторяются.

Режимы работы РЛС

Существует два основных режима функционирования радиолокационных станций и устройств. Первый — сканирование пространства. Он осуществляется по строго заданной системе. При последовательном обзоре перемещение луча радара может носить круговой, спиральный, конический, секторный характер. Например, решетка антенны может медленно поворачиваться по кругу (по азимуту), одновременно сканируя по углу места (наклоняясь вверх и вниз). При параллельном сканировании обзор осуществляется пучком радиолокационных лучей. Каждому соответствует свой приемник, ведется обработка сразу нескольких информационных потоков.

Режим слежения подразумевает постоянную направленность антенны на выбранный объект. Для ее поворота, согласно с траекторией движущейся цели, используются специальные автоматизированные следящие системы.

Алгоритм определения дальности и направления

Скорость распространения электромагнитных волн в атмосфере составляет 300 тыс. км/с. Поэтому, зная время, затраченное транслируемым сигналом на преодоление расстояния от станции до цели и обратно, легко вычислить удаленность объекта. Для этого необходимо точно зафиксировать время отправки импульса и момент принятия отраженного сигнала.

Для получения информации о местонахождении цели используется остронаправленная радиолокация. Определение азимута и элевации (угла места или возвышения) объекта производится антенной с узким лучом. Современные РЛС используют для этого фазированные антенные решетки (ФАР), способные задавать более узкий луч и отличающиеся высокой скоростью вращения. Как правило, процесс сканирования пространства совершается минимум двумя лучами.

Основные параметры систем

От тактических и технических характеристик оборудования во многом зависит эффективность и качество решаемых задач.

К тактическим показателям РЛС причисляют:

• Зону обзора, ограниченную минимальной и максимальной дальностью обнаружения цели, допустимым азимутальным углом и углом возвышения.
• Разрешающую способность по дальности, азимуту, элевации и скорости (возможность определять параметры рядом расположенных целей).
• Точность измерений, которая измеряется наличием грубых, систематических или случайных ошибок.
• Помехозащищенность и надежность.
• Степень автоматизации извлечения и обработки поступающего потока информационных данных.

Заданные тактические характеристики закладываются при проектировании устройств посредством определенных технических параметров, среди которых:

• несущая частота и модуляция генерируемых колебаний;
• диаграммы направленности антенн;
• мощность передающих и принимающих устройств;
• габаритные размеры и масса системы.

  

На боевом посту

Радиолокация — это универсальный инструмент, получивший широкое распространение в военной сфере, науке и народном хозяйстве. Области использования неуклонно расширяются благодаря развитию и совершенствованию технических средств и технологий измерений.

Применение радиолокации в военной отрасли позволяет решить важные задачи обзора и контроля пространства, обнаружения воздушных, наземных и водных мобильных целей. Без радаров невозможно представить оборудование, служащее для информационного обеспечения навигационных систем и систем управления орудийным огнем.

Военная радиолокация является базовой составляющей стратегической системы предупреждения о ракетном нападении и комплексной противоракетной обороны.

Радиоастрономия

Посланные с поверхности земли радиоволны также отражаются от объектов в ближнем и дальнем космосе, как и от околоземных целей. Многие космические объекты невозможно было полноценно исследовать лишь с использованием оптических инструментов, и только применение радиолокационных методов в астрономии позволило получить богатую информацию об их природе и структуре. Впервые пассивная радиолокация для исследования Луны была применена американскими и венгерскими астрономами в 1946 году. Примерно в то же время были случайно приняты и радиосигналы из космического пространства.

У современных радиотелескопов приемная антенна имеет форму большой вогнутой сферической чаши (подобно зеркалу оптического рефлектора). Чем больше ее диаметр, тем более слабый сигнал антенна сможет принять. Часто радиотелескопы работают комплексно, объединяя не только устройства, расположенные недалеко друг от друга, но и находящиеся на разных континентах. Среди важнейших задач современной радиоастрономии — изучение пульсаров и галактик с активными ядрами, исследование межзвездной среды.

Гражданское применение

В сельском и лесном хозяйстве радиолокационные устройства незаменимы при получении информации о распределении и плотности растительных массивов, изучении структуры, параметров и видов почв, своевременном обнаружении очагов возгораний. В географии и геологии радиолокация используется для выполнения топографических и геоморфологических работ, определения структуры и состава пород, поиска месторождений полезных ископаемых. В гидрологии и океанографии радиолокационными методами осуществляется контроль состояния главных водных артерий страны, снегового и ледяного покрова, картографирование береговой линии.

Радиолокация — это незаменимый помощник метеорологов. РЛС легко выяснит состояние атмосферы на удалении десятков километров, а по анализу полученных данных составляется прогноз изменения погодных условий в той или иной местности.

Перспективы развития

Для современной радиолокационной станции главным оценочным критерием выступает соотношение эффективности и качества. Под эффективностью понимаются обобщенные тактико-технические характеристики оборудования. Создание совершенной РЛС — сложная инженерная и научно-техническая задача, осуществление которой возможно только с использованием новейших достижений электромеханики и электроники, информатики и вычислительной техники, энергетики.

По прогнозам специалистов, в ближайшем будущем главными функциональными узлами станций самого разного уровня сложности и назначения будут твердотельные активные ФАР (фазированные антенные решетки), преобразующие аналоговые сигналы в цифровые. Развитие вычислительного комплекса позволит полностью автоматизировать управление и основные функции РЛС, предоставив конечному потребителю всесторонний анализ полученной информации.

Диапазоны частот и длин волн

Спектр электромагнитных полн простирается до частот выше 1024 Гц.
Этот очень широкий сложный диапазон делится на поддиапазоны с различными физическими свойствами.

Разделение частот по поддиапазонам ранее выполнялось в соответствии с исторически сложившимися критериями и в настоящее время устарело.
Это привело к возникновению современной классификации диапазонов частот, которая в настоящее время используется на международном уровне.
Однако в литературе все еще можно встретить традиционно сложившиеся названия диапазонов частот.

На Рисунке 1 изображен диапазон частот, занятый электромагнитными волнами, и показано его деление на поддиапазоны.

В верхней части рисунка показано деление спектра электромагнитных волн,
сложившееся исторически и официально принятое Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике
(Institute of Electrical and Electronic Engineer, IEEE).
В нижней части рисунка показана современная классификация диапазонов частот, принятая для использования в структурах НАТО.
Видно, что границы частотных диапазонов в этих двух классификациях не всегда совпадают.

Диапазоны и поддиапазоны частот называют заглавными буквами.
Такой подход возник еще на заре радиолокации,
когда точное значение рабочей частоты радиолокационного средства старались держать в тайне.

Радиолокационные системы работают в широком диапазоне излучаемых частот.
Чем выше рабочая частота радиолокатора, тем сильнее влияют на распространение электромагнитных волн атмосферные явления, такие как дождь или облака.
Но одновременно с этим на более высоких частотах достигается лучшая точность работы радиолокационного средства.
На Рисунке 2 показаны диапазоны частот электромагнитных волн, используемые радиолокационными средствами.

А- и В-диапазоны (ВЧ и ОВЧ)

В русскоязычной литературе эти диапазоны называют диапазоном высоких частот (ВЧ) и
диапазоном очень высоких частот (ОВЧ, иногда — метровым диапазоном),
в англоязычной — диапазоном HF (High Frequency) и диапазоном VHF (Very High Frequency).

Эти радиолокационные диапазоны ниже 300 МГц имеют давнюю историю применения,
поскольку именно в этих диапазонах активно развивались радиотехнологии в годы Второй мировой войны.
В настоящее время эти частоты используются в радиолокаторах раннего обнаружения и так называемых загоризонтных радиолокаторах
(Over The Horizon, OTH).
Для таких низких частот легче строить высокомощные передатчики.
Затухание электромагнитных волн на таких частотах меньше, чем при использовании более высоких частот.
С другой стороны, точность таких радиолокаторов ограничена,
поскольку низкие частоты требуют антенн с очень большими физическими размерами,
что определяет точность измерения и разрешающую способность по угловым координатам.
Кроме того, эти диапазоны частот используются и другими службами, связью и радиовещанием,
поэтому полоса частот для радиолокаторов ограничена (что, опять же влияет на точность и разрешающую способность).

Однако, в последнее время, интерес к использованию этих диапазонов частот в радиолокации возвращается,
поскольку на этих частотах технологии снижения радиолокационной заметности Stealth не обеспечивают требуемого эффекта.

С-диапазон (УВЧ)

Этот диапазон называется диапазоном ультравысоких частот (УВЧ) или дециметровым диапазоном.
В англоязычной литературе — Ultra High Frequency (UHF).

Существует не так много радиолокационных систем, разработанных для этого частотного диапазона (от 300 МГц до 1 ГГц).
Эти частоты хорошо подходят для радиолокационного обнаружения и сопровождения спутников и баллистических ракет на больших расстояниях.
Радиолокаторы, работающие в этом диапазоне частот, используются для раннего обнаружения и предупреждения о целях как,
например, обзорный радиолокатор в системе противовоздушной обороны средней дальности
MEADS
(Medium Extended Air Defense System).
Некоторые метеорологические радиолокационные системы, например, предназначенные для построения профиля ветра,
работают в этом диапазоне, поскольку распространение электромагнитных волн на таких частотах слабо зависит от облаков и дождя.

Новые технологии
сверхширокополосной радиолокации
(Ultrawideband, UWB) используют все частоты от А- до С-диапазона.
Сверхширокополосные радиолокаторы излучают очень короткие импульсы на всех частотах одновременно.
Они используются для неразрушающего контроля материалов и объектов,
а также как
радиолокаторы подповерхностного зондирования
(Ground Penetrating Radar, GPR), например, для археологических исследований.

D-диапазон (L-диапазон)

Этот частотный диапазон (от 1 до 2 ГГц) является предпочтительным для работы радиолокаторов дальнего обнаружения
с дальностью действия до 250  морских миль (около 400 километров).
Они излучают импульсы высокой мощности с широким спектром и, зачастую, с
внутриимпульсной модуляцией.
Вследствие кривизны земной поверхности максимальная дальность обнаружения ограничена для целей, находящихся на малых высотах.
Такие цели, по мере увеличения дальности, очень быстро исчезают за радиогоризонтом.

В этом диапазоне частот работают радиолокаторы дальнего обнаружения в системе управления воздушным движением,
такие как трассовый обзорный радиолокатор (Air Route Surveillance Radar, ARSR).
При объединении с моноимпульсным вторичным обзорным радиолокатором (Monopulse Secondary Surveillance Radar, MSSR)
они используют относительно большую медленно вращающуюся антенну.

Если букву L подразумевать как первую в слове Large (большой),
то обозначение L-диапазон является хорошей мнемонической рифмой для большого размера антенны или большой дальности действия.

E/F-диапазон (S-диапазон)

В этом диапазоне атмосферное ослабление выше, чем в D-диапазоне.
Радиолокаторам, работающим в этом диапазоне, требуется значительно большая излучаемая мощность для того,
чтобы достичь хороших значений максимальной дальности действия.
В качестве примера можно привести
радиолокатор средней мощности MPR
(Medium Power Radar) с импульсной мощностью 20 МВт.
В этом частотном диапазоне влияние погодных условий сильнее, чем в D-диапазоне.
Поэтому несколько метеорологических радиолокаторов работают в E/F-диапазоне но, в основном, в тропических и субтропических климатических зонах,
поскольку тут они могут «видеть» за пределами сильного шторма.

Специальные аэродромные обзорные радиолокаторы (Airport Surveillance Radar, ASR)
используются в аэропортах для обнаружения и отображения положения самолетов в воздушном пространстве аэропортов,
в среднем, на дальностях 50 … 60 морских миль (около 100 км).
Аэродромные радиолокаторы определяют положение самолетов и погодные условия в районах как гражданских, так и военных аэродромов.

Обозначение S-диапазона (Small, Short – малый, короткий),
в противоположность обозначению L-диапазона, может трактоваться как обозначение меньших размеров антенн или меньшей дальности действия.

G-диапазон (С-диапазон)

В G-диапазоне (от 4 до 8 ГГц) работают много военных мобильных радиолокаторов
(обзора поля боя, управления оружием и наземной разведки) с малой и средней дальностью действия.
Размеры антенн обеспечивают отличную точность измерения и разрешающую способность и, при этом,
будучи сравнительно небольшими, не препятствуют быстрому перемещению.
Влияние плохих погодных условий очень существенно.
Поэтому в радиолокаторах этого диапазона, предназначенных для работы по воздушным объектам,
часто применяются антенны с круговой поляризацией.
Этот диапазон частот отведен для большинства типов метеорологических радиолокаторов,
используемых для обнаружения осадков в умеренных климатических зонах, таких как Европа.

I/J-диапазон (X- и Ku-диапазоны)

В этом диапазоне частот (от 8 до 12 ГГц) соотношение между используемой длиной волны и
размером антенны существенно лучше, чем в диапазонах более низких частот.
I/J-диапазон является сравнительно распространенным в военных применениях, таких как бортовые радиолокаторы,
обеспечивающие функции перехвата воздушной цели и ведение огня по ней, а также атаки наземных целей.
Очень малый размер антенны определяет хорошую применяемость.
Системы наведения ракет в I/J-диапазоне имеют приемлемые размеры для комплексов, для которых важны мобильность и малый вес,
а большая дальность действия не является основным требованием.

Этот диапазон частот широко используется в морских навигационных радиолокаторах как гражданского, так и военного применения.
Небольшие и недорогие антенны с высокой скоростью вращения обеспечивают значительные максимальные дальности действия и хорошую точность.
В таких радиолокаторах используются волноводно-щелевые и небольшие полосковые антенны, размещенные, как правило, под антенными обтекателями.

Кроме перечисленного, этот частотный диапазон распространен в космических и бортовых радиолокаторах построения изображений,
основанных на
антеннах с синтезированными апертурами
(Synthetic Aperture Radar),
предназначенных как для целей военной электронной разведки, так и для гражданского географического кaртографирования.

Специализированные
радиолокаторы с обратной синтезированной апретурой (Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR)
используются в морских воздушных средствах контроля загрязнения.

K-диапазон (K- и Ka-диапазоны)

Чем выше частота, тем сильнее
атмосферное поглощение
и затухание электромагнитных волн.
С другой стороны потенциальная точность и разрешающая способность тоже возрастают.
Радиолокационные системы, работающие в этом диапазоне, обеспечивают небольшую дальность действия,
но очень высокое разрешение и высокую скорость обновления данных.
В системах управления воздушным движением такие системы используются как
радиолокаторы управления наземным движением
(Surface Movement Radar, SMR)
или (как часть) оборудование для обнаружения на поверхности аэропорта
(Airport Surface Detection Equipment, ASDE).
Использование коротких зондирующих импульсов длительностью в несколько наносекунд обеспечивает разрешение по дальности,
при котором на экране радиолокатора можно распознать контур самолета или наземного транспортного средства.

V-диапазон

Вследствие явления рассеяния на молекулах (влияние влажности воздуха) затухание электромагнитных волн в этом диапазоне очень высокое.
Радиолокационные применения здесь ограничены дальностью действия в несколько метров.

W-диапазон

В этом диапазоне наблюдаются два явления: максимальное затухание вблизи 75 ГГц и относительный минимум на частоте около 96 ГГц.
Оба эти эффекта используются на практике.
В автомобилестроении небольшие встроенные радиолокационные средства работают на частотах 75 … 76 ГГц в парковочных ассистентах,
для просмотра слепых зон и ассистентах торможения.
Высокое затухание (влияние молекул кислорода О2) снижает уровень помех от таких радиолокационных средств.

Радиолокационные установки, работающие на частотах от 96 до 98 ГГц, используются в качестве лабораторного оборудования.
Они позволяют получить представление о применении радиолокации на чрезвычайно высоких частотах, таких как 100 ГГц.